一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光填粉焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料激光焊接新方法，屬于材料加工工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天裝備升級改造的進(jìn)行，對結(jié)構(gòu)提出了進(jìn)一步減重、提高使用性能和壽命的要求。顆粒增強金屬基復(fù)合材料，相比連續(xù)纖維增強復(fù)合材料具有顯著的低成本優(yōu)勢，制備難度低，易于實現(xiàn)工業(yè)批量生產(chǎn)等優(yōu)點，是目前普遍公認(rèn)的最有競爭力的金屬基復(fù)合材料之一。但與傳統(tǒng)金屬材料相比，金屬基復(fù)合材料的連接技術(shù)并不成熟，大大限制了金屬基復(fù)合材料進(jìn)一步的應(yīng)用和推廣。目前，針對顆粒增強金屬基復(fù)合材料國內(nèi)外學(xué)者研究較多的連接方法有電弧焊、激光焊、擴散焊、釬焊、攪拌摩擦焊，然而采用熔化焊接方法連接金屬基復(fù)合材料存在增強相顆粒燒損、界面反應(yīng)生成脆性金屬間化合物、孔洞、未熔合等缺陷傾向大、增強相聚集等問題；采用固相焊接方法連接存在焊接效率低、接頭強度低，焊件尺寸受限等問題。因此，為了進(jìn)一步推廣和應(yīng)用金屬基復(fù)合材料，急需開發(fā)先進(jìn)的連接技術(shù)。
[0003]激光焊接被公認(rèn)是“ 二十一世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ南冗M(jìn)制造技術(shù)之一”，具有能量精確可控、焊接柔性大、自動化程度高等特點，可以精確控制熱輸入量，目前，激光焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、核工業(yè)等國防和軍工領(lǐng)域。目前已有將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于金屬基復(fù)合材料焊接的報道，北京航空航天大學(xué)陳永來等人研究了 SiCp/6061Al復(fù)合材料激光焊接技術(shù)，研究表明采用Ni作為合金化填充材料可以在一定程度上抑制SiC顆粒的溶解脆性相A14C3的形成。
[0004]常規(guī)激光焊接顆粒增強金屬基復(fù)合材料不僅存在增強相燒損、易生成脆性金屬間化合物、氣孔、裂紋等傾向大、增強相分布不均勻等熔化焊共性問題，同時，材料金屬基體對激光的反射較為嚴(yán)重，激光吸收率低等缺點。
[0005]目前，尚無針對顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光焊接的焊絲，并且，對于某些塑形較差的材料，將其加工成焊絲十分困難且成本高昂，而填充粉末不僅避免了加工焊絲的復(fù)雜工藝要求以及昂貴的成本，同時，通過粉末的合理配比，能方便的向焊縫中添加合金元素以及增強相顆粒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光焊接存在的增強相顆粒燒損、增強相分布不均勻，以及金屬基復(fù)合材料焊絲制作困難等問題，而提出了一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光填粉焊接方法。
[0007]本發(fā)明的一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光填粉焊接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0008]步驟一:將待焊工件的待焊位置加工成單邊60°的V型坡口，對坡口及附近位置表面清理、打磨并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺上；
[0009]步驟二:將填充粉末與增強相顆粒粉末用球磨機混合均勻，制得混合填充粉末；將混合填充粉末裝入送粉機中；其中，混合填充粉末的體積大于待焊工件焊縫坡口位置的體積；
[0010]步驟三:安裝同軸或旁軸送粉頭；
[0011]步驟四:設(shè)置工藝參數(shù):
[0012]激光功率為800?2000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為3mm/s?10mm/s，送粉速度為2g/min?15g/min，送粉載氣流量為3L/min?20L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5° ;
[0013]步驟五:在送粉頭向焊縫位置送入混合填充粉末的同時，控制激光器發(fā)射出激光光束，然后，控制機器人使激光工作頭和送粉頭共同運動完成整個焊接過程。
[0014]本發(fā)明混合填充粉末中填充粉末與增強相顆粒的比例根據(jù)待焊金屬基復(fù)合材料中基體材料與增強相的比例來確定，其比例一般大于待焊金屬基復(fù)合材料中基體與增強相的比例。
[0015]本發(fā)明的顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光填粉焊接方法采用同軸或旁軸送入粉末，示意圖如圖1或圖2所示。本發(fā)明將與待焊母材相匹配的粉末與增強相粉末顆粒球磨混合均勻后直接送入激光能量聚焦位置或激光直接作用下的熔池之中，粉末依靠激光能量或激光直接作用下熔池能量來熔化填充粉末逐層進(jìn)行連接，也就是采用激光熔化沉積的方式，分多層多道實現(xiàn)顆粒增強金屬基復(fù)合材料的連接。
[0016]本發(fā)明相比于顆粒增強金屬基復(fù)合材料傳統(tǒng)焊接方法主要有以下幾點優(yōu)勢:
[0017]—.激光能量精確可控，增強相不會發(fā)生大量熔化，可有效改善增強相燒損問題。
[0018]二.可方便的往焊縫中添加合金元素、增強相，改善焊縫性能。
[0019]三.采用多層多道，精確控制單層激光輸入能量，有助于實現(xiàn)焊縫均勻化。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明同軸送粉方式示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明旁軸送粉方式示意圖；
[0022]圖3為實施例1常規(guī)激光焊接Sip/AlSi20復(fù)合材料表面成形圖；
[0023]圖4為實施例1常規(guī)激光焊接頭微觀組織電鏡圖；
[0024]圖5為實施例2的焊接接頭宏觀成形圖；
[0025]圖6為實施例2的焊接接頭微觀組織電鏡圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一:本實施方式的一種顆粒增強金屬基復(fù)合材料激光填粉焊接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0027]步驟一:將待焊工件的待焊位置加工成單邊60°的V型坡口，對坡口及附近位置表面清理、打磨并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺上；
[0028]步驟二:將填充粉末與增強相顆粒粉末用球磨機混合均勻，制得混合填充粉末；將混合填充粉末裝入送粉機中；其中，混合填充粉末的體積大于待焊工件焊縫坡口位置的體積；
[0029]步驟三:安裝同軸或旁軸送粉頭；
[0030]步驟四:設(shè)置工藝參數(shù):
[0031]激光功率為800?2000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為3mm/s?10mm/s，送粉速度為2g/min?15g/min，送粉載氣流量為3L/min?20L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5° ;
[0032]步驟五:在送粉頭向焊縫位置送入混合填充粉末的同時，控制激光器發(fā)射出激光光束，然后，控制機器人使激光工作頭和送粉頭共同運動完成整個焊接過程。
[0033]本實施方式混合填充粉末中填充粉末與增強相顆粒的比例根據(jù)待焊金屬基復(fù)合材料中基體材料與增強相的比例來確定，其比例一般大于待焊金屬基復(fù)合材料中基體與增強相的比例。
[0034]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:發(fā)射激光的激光器為半導(dǎo)體激光器、C02氣體激光器、YAG固體激光器或光纖激光器。其它與【具體實施方式】一相同。
[0035]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1000?2000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為5mm/s?10mm/s，送粉速度為5g/min?15g/min，送粉載氣流量為5L/min?20L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0036]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1200?2000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為7mm/s?10mm/s，送粉速度為8g/min?15g/min，送粉載氣流量為8L/min?20L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0037]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1500?2000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為8mm/s?10mm/s，送粉速度為10g/min?15g/min，送粉載氣流量為10L/min?20L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0038]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1700?2000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為8mm/s?10mm/s，送粉速度為12g/min?15g/min，送粉載氣流量為15L/min?20L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0039]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1800W，光斑直徑為4mm，焊接速度為9mm/s，送粉速度為12g/min，送粉載氣流量為15L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0040]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1600W，光斑直徑為4mm，焊接速度為7mm/s，送粉速度為10g/min，送粉載氣流量為18L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0041]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1100W，光斑直徑為4mm，焊接速度為8mm/s，送粉速度為13g/min，送粉載氣流量為18L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0042]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:激光功率為1000W，光斑直徑為4mm，焊接速度為10mm/s，送粉速度為10g/min，送粉載氣流量為15L/min，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0043]【具體實施方式】^^一:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟二中所述的混合填充粉末中填充粉末與增強相顆粒的比例根據(jù)待焊工件中基體材料與增強相的比例來確定，即混合填充粉末的體積大于待焊金屬基復(fù)合材料中基體與增強相的體積。其它與【具體實施方式】一相同。
[0044]【具體實施方式】十二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述的待焊工件為顆粒增強金屬基復(fù)合材料，如SiCp/Al、A1203/Al、SiCp/Mg、TiC/Ti或WC/Ni顆粒增強金屬基復(fù)合材料。其它與【具體實施方式】一相同。
[0045]本
【發(fā)明內(nèi)容】
不僅限于上述各實施方式的內(nèi)容，其中一個或幾個【具體實施方式】的組合同樣也可以實現(xiàn)發(fā)明的目的。
[0046]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0047]分別采用常規(guī)激光焊和本方法對1mm厚體積分?jǐn)?shù)為55 %的Sip/AlSi20復(fù)合材料板材進(jìn)行焊接，具體試驗方法如下:
[0048]實施例1
[0049]常規(guī)激光焊過程如下:
[0050]將待焊Sip/AlSi20復(fù)合材料1mm厚板材加工成80 X 40mm2規(guī)格，將待焊位置附近表面進(jìn)行清理、打磨，不留間隙對